提到激光大家會想到什么？是電影《星球大戰(zhàn)》里Grievous將軍揮舞的激光劍？還是《生化危機》里的殺傷力極強的激光通道？又或是《X戰(zhàn)警》中Scott那雙可以燃燒一切的激光眼？這些被大家所熟知的激光往往以高功率和高能量的形式出現(xiàn)在一些科幻作品中，展示出強大的威力（見圖1）。

而在現(xiàn)實生活中，激光也已經(jīng)潛入了諸多行業(yè)，從激光美容、近視治療等醫(yī)療領(lǐng)域，到激光打標、切割和焊接等工業(yè)制造領(lǐng)域，以及近幾年興起的雷達探測、顯微成像、量子通信等前沿科學(xué)領(lǐng)域。目前，激光技術(shù)為推動國防安全、生物醫(yī)療、智能制造以及信息技術(shù)的發(fā)展做出了卓越的貢獻。

圖1 與激光相關(guān)的電影片段

然而，我們需要的激光器是否都需要像電影里面展示的那樣，擁有高功率且具有極大殺傷力呢？

首先，我們要看一下激光區(qū)別于傳統(tǒng)光源的基本特性，如圖2所示，我們前面提到影視作品中激光具有強大威力的特性，通常和激光的亮度（功率）成正比，同時也體現(xiàn)了激光器具有很好方向性的特點。

此外，單色性和相干性也是人們關(guān)注的重點。普通光源發(fā)射的光通常在頻率上是各不相同的，所以包含有各種顏色，而激光發(fā)射的各個光子頻率相同，因此是十分優(yōu)秀的單色光源。不僅如此，由于激光的受激輻射光子在相位上是一致的，在諧振腔的作用下激光束橫截面上各點間有固定的相位關(guān)系，所以相比于普通光源，激光的相干性也是極佳的。結(jié)合激光優(yōu)異的單色性和相干性的特點，即使沒有動輒千瓦、萬瓦量級高功率的光環(huán)，激光器仍可以在光譜技術(shù)、光學(xué)測量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

圖2激光區(qū)別于傳統(tǒng)光源的特性

今天將為大家介紹一種單色性趨于極致的激光器——窄線寬激光器。它的出現(xiàn)填補了激光在許多應(yīng)用領(lǐng)域的空白，近幾年已廣泛應(yīng)用在引力波探測、激光雷達、分布式傳感、高速相干光通信等領(lǐng)域，這是僅僅依靠提升激光功率所無法完成的使命，部分示例如圖3所示。

圖3 窄線寬激光器應(yīng)用示例

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何為窄線寬激光器？

線寬一詞指的是激光在頻域內(nèi)的譜線寬度，這個寬度通常用頻譜的半峰全寬（FWHM）來進行量化，如圖4所示。

圖4 激光的線寬（半峰全寬）示意圖

線寬的產(chǎn)生主要受激光器激發(fā)態(tài)原子或離子自發(fā)輻射、相位噪聲、以及諧振腔機械振動、溫度抖動等外界因素的影響。線寬的數(shù)值越小，意味著光譜的純凈度越高，也就是激光的單色性越好。擁有這類特點的激光器通常具有極小的相位或頻率噪聲和很小的相對強度噪聲。同時，激光器的線寬數(shù)值越小，對應(yīng)的相干性越強，表現(xiàn)為極長的相干長度。

例如，未經(jīng)縱模選擇的Nd:YAG激光器的輸出線寬通常為百GHz量級，其相干長度僅為若干個毫米；而通過縱模選擇，能夠比較容易實現(xiàn)百MHz的窄線寬輸出，相干長度可提升至米量級?，F(xiàn)如今，人們通過布里淵激光器已經(jīng)獲得了亞Hz量級的極窄線寬輸出，其理論相干長度達到了驚人的幾十萬千米。因此，以上優(yōu)點使得窄線寬激光器在科學(xué)研究以及諸多應(yīng)用領(lǐng)域都備受青睞。

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窄線寬激光實現(xiàn)方式及應(yīng)用

受激光器工作物質(zhì)的固有增益線寬限制，依靠傳統(tǒng)振蕩器本身幾乎無法直接實現(xiàn)窄線寬激光的輸出。為了實現(xiàn)窄線寬激光運轉(zhuǎn)，通常需要利用濾波器、光柵等器件對增益譜內(nèi)的縱模數(shù)進行限制或選擇，增加各縱模間凈增益差異，使激光諧振腔內(nèi)最終存在少數(shù)幾個甚至只有一個縱模的振蕩。在該過程中，往往也要控制噪聲對激光輸出的影響，盡量減少外界環(huán)境的震動和溫度變化導(dǎo)致的譜線展寬；同時，還可以結(jié)合對相位或頻率噪聲譜密度的分析，了解噪聲來源、優(yōu)化對激光器的設(shè)計，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的窄線寬激光的輸出。

下面我們一起來了解一下幾種不同類別激光器的窄線寬運轉(zhuǎn)的實現(xiàn)方法。

1）半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器具有尺寸緊湊、效率高、壽命長以及經(jīng)濟實惠的優(yōu)點。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器采用的法布里-珀羅（F-P）光學(xué)諧振腔內(nèi)一般為多縱模振蕩，輸出線寬相對較寬，要想獲得窄線寬的輸出則需要增加光反饋。

分布反饋（DFB）和分布布拉格反射（DBR）是兩種典型的內(nèi)部光反饋半導(dǎo)體激光器，其結(jié)構(gòu)及輸出光譜情況如圖5所示，由于光柵的柵距較小，對波長具有良好的選擇性，因此容易實現(xiàn)穩(wěn)定的單頻窄線寬輸出。兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于光柵的位置：DFB結(jié)構(gòu)通常將周期結(jié)構(gòu)的布拉格光柵分布于整個諧振腔中，DBR的諧振腔通常由集成于端面的反射光柵結(jié)構(gòu)和增益區(qū)構(gòu)成。此外，DFB激光器使用低折射率對比度、低反射率的埋入式光柵；而DBR激光器使用高折射率對比度、高反射率的表面光柵。兩種結(jié)構(gòu)均具有較大的自由光譜范圍，可以在幾個納米的范圍內(nèi)進行無模式跳變的波長調(diào)諧，其中相比于DFB激光器，DBR激光器的諧調(diào)范圍更廣泛。

圖5 不同結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器

此外，利用外部光學(xué)元件對半導(dǎo)體激光芯片的出射光進行反饋和選頻的外腔光反饋技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光的窄線寬運轉(zhuǎn)。

2）光纖激光器

光纖激光器的泵浦轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、耦合效率高，是當前激光領(lǐng)域研究的熱點，且在信息時代的背景下，光纖激光器與目前市場光纖通信系統(tǒng)的兼容性良好。而具有線寬窄、噪聲低、相干性好等優(yōu)點的單頻光纖激光器更是成為其發(fā)展的重要方向之一。

實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)是光纖激光器實現(xiàn)窄線寬輸出的核心，通常按照單頻光纖激光器的諧振腔的結(jié)構(gòu)可將其分為DFB型、DBR型和環(huán)形腔型。其中，DFB型和DBR型單頻光纖激光器的工作原理與DFB型和DBR型半導(dǎo)體激光器具有異曲同工之妙。

如圖6所示，DFB型光纖激光器是將分布式布拉格光柵寫入到光纖中，由于振蕩器的工作波長受光纖周期影響，因此通過光柵的分布反饋即可實現(xiàn)縱模的選擇；DBR型激光器通常由一對光纖布拉格光柵形成激光諧振腔，其單縱模的選取主要由窄帶低反射率光纖布拉格光柵進行。而環(huán)形腔結(jié)構(gòu)由于其諧振腔通常較長，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺乏有效的鑒頻機制，因此容易出現(xiàn)跳模，難以在恒定縱模下長期穩(wěn)定地工作。

圖6 兩種典型線性結(jié)構(gòu)的單頻光纖激光器

3）固體激光器

1960年世界上的第一臺紅寶石激光器就屬于固體激光器，其特點是具有較高的輸出能量以及較為廣泛的波長覆蓋范圍。固體激光器特有的空間結(jié)構(gòu)特性，使其在實現(xiàn)窄線寬輸出的設(shè)計更為靈活，目前實現(xiàn)的方法主要包括短腔法、單向環(huán)形腔法、腔內(nèi)標準具法、扭擺模腔法、體布拉格光柵法和種子注入法等。

圖7 幾種典型的固體激光器單縱模運轉(zhuǎn)實現(xiàn)方法

圖7展示了幾種典型單縱模固體激光器的結(jié)構(gòu)。圖7(a)為基于腔內(nèi)FP標準具的單縱模選擇工作原理，即利用標準具的窄線寬透射譜，增大其他縱模的損耗，使其他縱模因透射率小而在模式競爭過程中被濾除，從而實現(xiàn)單縱模運轉(zhuǎn)。此外，通過對FP標準具的角度以及溫度的控制改變縱模間隔，還可獲得一定范圍的波長調(diào)諧輸出。圖7(b)和(c)是用于獲得單縱模輸出的非平面環(huán)形振蕩器（NPRO）和扭擺模腔法，其工作原理是使光束在諧振腔內(nèi)沿單一方向傳播，有效消除普通駐波腔中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)空間分布不均勻，進而避免空間燒孔效應(yīng)的影響，實現(xiàn)單縱模輸出。體布拉格光柵（VBG）法選模原理類似于前面提到的半導(dǎo)體和光纖窄線寬激光器，即通過將VBG作為濾光元件，基于其良好的光譜選擇性和角度選擇性，使振蕩器在特定的波長或波段實現(xiàn)振蕩，達到縱模選擇的作用，如圖7(d)所示。

同時，人們可以根據(jù)需要對幾種縱模選擇方法進行組合以提高縱模選擇精度、進一步壓窄線寬，或者通過引入非線性頻率變換等手段增加模式競爭強度，在得窄線寬運轉(zhuǎn)的同時拓展激光器的輸出波長，這是半導(dǎo)體和光纖激光器難以做到的。

4）布里淵激光器

布里淵激光器是基于受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)獲得低噪聲、窄線寬輸出的技術(shù)，其原理是通過光子與物質(zhì)內(nèi)部聲波場相互作用產(chǎn)生具有一定頻移的Stokes光子，并在增益帶寬內(nèi)被不斷放大。

圖8展示了SBS轉(zhuǎn)換的能級示意圖和布里淵激光器的基本結(jié)構(gòu)。由于聲波場的振動頻率較低，材料的布里淵頻移通常只有0.1-2 cm-1，因此用1064 nm激光作為泵浦光，產(chǎn)生的Stokes光波長往往只有1064.01 nm左右，但這也意味著其量子轉(zhuǎn)換效率極高（理論可達99.99%以上）。另外，由于介質(zhì)的布里淵增益線寬通常僅為 MHz-GHz量級（部分固體介質(zhì)的布里淵增益線寬僅為10 MHz左右），遠小于激光工作物質(zhì)百GHz量級的增益線寬，因此，布里淵激光器內(nèi)激發(fā)的Stokes光在腔內(nèi)經(jīng)過多次放大后能夠呈現(xiàn)出明顯的光譜窄化現(xiàn)象，其輸出線寬可比泵浦線寬窄幾個數(shù)量級。目前，布里淵激光器已經(jīng)成為光子學(xué)領(lǐng)域研究的熱點，已有諸多關(guān)于Hz和亞Hz量級的極窄線寬輸出的報道。

圖8 SBS及布里淵激光器工作原理

近些年，波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的布里淵器件已經(jīng)在微波光子學(xué)等領(lǐng)域嶄露頭角，并朝著小型化、高集成度和更高分辨率的方向快速發(fā)展。此外，基于金剛石等新型晶體材料的空間運轉(zhuǎn)布里淵激光器也在近兩年走進人們的視野，其創(chuàng)新性的突破了波導(dǎo)型結(jié)構(gòu)的功率和級聯(lián)SBS瓶頸，將布里淵激光器的功率提升至10 W量級，為拓展其應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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總 結(jié)

隨著人類對前沿知識的不斷探索，窄線寬激光器以其優(yōu)異的性能成為科學(xué)研究中不可或缺的關(guān)鍵工具，譬如進行引力波探測的激光干涉儀LIGO采用了波長1064 nm的單頻窄線寬激光作為種子源，其種子光的線寬在5 kHz以內(nèi)。此外，具有波長可調(diào)諧、且不存在模式跳變的窄線寬激光器也展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在相干通信中，能夠完美的契合波分復(fù)用（WDM）或頻分復(fù)用（FDM）對波長（或頻率）可調(diào)性的需求，有望成為下一代移動通信技術(shù)的核心器件。

在未來，激光材料和加工技術(shù)的革新也將進一步推動激光線寬的壓縮、頻率穩(wěn)定性的提高、波長范圍的擴展和功率的提升，為人類探索未知世界鋪平道路。

作者簡介

白振旭，教授，博士生導(dǎo)師，河北工業(yè)大學(xué)先進激光技術(shù)研究中心副主任、河北省先進激光技術(shù)與裝備重點實驗室副主任；中國光學(xué)光電子行業(yè)協(xié)會激光應(yīng)用分會青年委員、天津市激光技術(shù)學(xué)會常務(wù)理事、北京光學(xué)學(xué)會青年工作委員會委員。主要從事金剛石激光技術(shù)以及高功率激光器研究，成果榮獲國際光學(xué)工程學(xué)會Teddi Laurin獎（全球每年僅1人）、光學(xué)青年科學(xué)家競賽Rising Stars of Light一等獎。